比鉆石還硬！中國科學家合成六方金剛石

普通鉆石（立方金剛石），例如訂婚戒指上的鉆石，具有立方晶體結(jié)構(gòu)。朗斯代爾石，也稱為六方金剛石，它與我們常見的普通鉆石結(jié)構(gòu)相似，但原子排列呈六方堆積。

1967 年，美國地質(zhì)學家在美國亞利桑那州巴林杰隕石坑的“魔谷隕石”碎片中首次鑒別出這種礦物，并猜測是由于隕石撞擊瞬間產(chǎn)生的極端高溫和高壓，把隕石里的石墨直接“壓”成了這種特殊的結(jié)構(gòu)。他們以 20 世紀的愛爾蘭晶體學家和英國皇家學會凱瑟琳·朗斯代爾（Kathleen Lonsdale）命名這種礦物，因她使用 X 射線研究了碳的結(jié)構(gòu)。

但在隨后的幾十年里，六方金剛石成了材料界的“幽靈”，它既讓無數(shù)物理學家為之神往，也因難以捕捉的真身而飽受質(zhì)疑。

許多科學家認為，所謂的六方金剛石根本不是一種獨立的新材料，只是“長壞了的普通鉆石”。他們認為那些所謂的六方結(jié)構(gòu)特征，其實是普通鉆石晶格里出現(xiàn)了大量孿晶和層錯等缺陷導致的。

另外，雖然很多實驗室聲稱合成了六方金剛石，但做出來的東西總是和普通立方金剛石混在一起，且尺寸極其微小（納米級），這讓懷疑論者更加確信：這不過是帶有結(jié)構(gòu)缺陷的碎鉆而已。

近年來，隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，六方金剛石的塊體合成逐漸取得進展。2025 年初，吉林大學劉冰冰教授團隊在 Nature Materials 報道了六方金剛石塊材的實驗制備；同年，北京高壓科學研究中心毛河光院士團隊在 Nature 發(fā)表了研究成果，他們利用高純度天然單晶石墨，在高溫高壓條件下也成功獲得了六方金剛石樣品。

近日，來自鄭州大學的單崇新、程少博、楊西貴等人聯(lián)合南京大學孫建在 Nature 上發(fā)表了研究成果，他們成功合成了毫米級、純相的六方金剛石。

（來源：受訪者提供）

“我們不僅做出了樣品，還深入揭示了背后的調(diào)控機制：合成六方還是立方，關(guān)鍵在于如何通過單軸壓力精確限制石墨層的滑移。”這項研究的共同通訊作者、鄭州大學物理學教授楊西貴告訴 DeepTech。

抑制橫向滑移，才能長出純六方金剛石

六方金剛石與立方金剛石雖然均由碳元素組成，但在原子層面的堆疊結(jié)構(gòu)上存在本質(zhì)區(qū)別。立方金剛石采用的是 ABCABC... 三層重復的堆疊方式，形成正四面體結(jié)構(gòu)；六方金剛石則是 ABAB... 兩層重復的堆疊方式。

（來源：Nature）

相對于穩(wěn)定的立方金剛石，六方金剛石是一種亞穩(wěn)相材料，其能量狀態(tài)稍高一些。“碳原子也會像‘水往低處流’一樣，傾向于排列成能量最低的立方結(jié)構(gòu)。”楊西貴表示。隕石撞擊之所以能保留六方結(jié)構(gòu)，是因為極短的瞬態(tài)過程將其“凍結(jié)”了。

在嘗試合成六方金剛石的過程中，商業(yè)化高溫高壓設(shè)備所提供的靜水壓（即各個方向壓力均等）卻成了最大的障礙。

實驗發(fā)現(xiàn)，在靜水壓條件下，作為原料的石墨層會過早地發(fā)生橫向折皺或滑移。一旦出現(xiàn)這種情況，無論后續(xù)如何精細地調(diào)控壓力和溫度參數(shù)，最終得到的產(chǎn)物幾乎都是立方金剛石。即使偶爾有六方結(jié)構(gòu)的跡象，也往往是作為少量混合相存在。“這又回到了之前提到的爭議，很容易被認為是立方金剛石的缺陷，從而無法確證。”

為了解決這個問題，研究人員對設(shè)備的合成腔體內(nèi)部進行了關(guān)鍵性的改裝，使其能夠在施加壓力的過程中，將沿著石墨 c 軸方向的壓力進行放大，同時相對削弱橫向的壓力。

這樣一來，石墨層的橫向滑移就被有效地抑制了。在這種定向增強的單軸壓力引導下，碳原子只能沿著上下方向進行有序結(jié)合，按照 ABAB... 的方式堆疊起來，最終形成六方金剛石結(jié)構(gòu)。而一旦橫向滑移無法控制，原子就會按照 ABCABC... 的方式堆疊，那就又回到了立方金剛石。

“所以，合成六方金剛石是一個需要超高壓、準單軸和溫度三者之間達到極其苛刻的協(xié)同條件的過程。”

最終，研究團隊以高定向熱解石墨為原料，在高溫高壓裝置中，通過沿石墨 c 軸施加定向單軸應力，精準鎖定 20GPa、1300-1900℃ 的窄溫壓合成窗口，成功制備出直徑約 1.5 毫米的塊體六方金剛石。

精準驗證六方金剛石真身

為了確證做出來的樣品是純相或者不是帶有缺陷的普通鉆石，研究團隊構(gòu)建了一個嚴密的證據(jù)閉環(huán)。

第一步，從宏觀上定“身份”。利用同步輻射 X 射線衍射（XRD）極高的分辨率，在立方與六方金剛石重合的特征峰外，精確捕捉到四個關(guān)鍵的額外衍射峰。這些峰與理論模擬的六方結(jié)構(gòu)完全吻合，從宏觀尺度初步鎖定了其六方身份。

（來源：上述論文）

第二步，從微觀上看“指紋”。通過球差校正透射電鏡（AC-TEM）在原子尺度進行實時觀測：在特定軸向清晰呈現(xiàn)六方結(jié)構(gòu)特有的“ABAB”層序堆疊（而非立方的 ABCABC），并捕獲到立方結(jié)構(gòu)不具備的完美六角空心對稱圖案。這一原子級圖像為六方晶格提供了最直接的微觀證據(jù)。

第三步，確認成分與純度。利用電子能量損失譜（EELS）分析碳原子成鍵狀態(tài)。結(jié)果顯示，所有碳原子的成鍵方式都是金剛石特征的 sp3 雜化鍵，未探測到任何石墨化或無定形碳的 sp2 信號，從化學鍵層面證實了材料的高純度與一致性。

第四步，檢驗“性能”。通過硬度及模量測試，證實該材料的維氏硬度、剪切模量及楊氏模量均顯著優(yōu)于天然立方金剛石。卓越的力學指標不僅完成了從結(jié)構(gòu)到性能的證據(jù)鏈閉環(huán)，更凸顯了其作為超硬材料的實用價值。

圖 | 塊狀六方金剛石的機械和熱性能（來源：上述論文）

“最終，我們準確無誤地得出結(jié)論，我們合成的，就是純度極高、結(jié)構(gòu)清晰的六方金剛石。這也正是審稿人給予我們高度評價的原因，他們認為我們‘首次提供了如此清晰的六方金剛石證據(jù)’。”楊西貴說道。

這份清晰證據(jù)的背后，是歷時五年的漫長攻關(guān)。楊西貴回憶，過程可分為三個階段：首先是前期技術(shù)攻關(guān)，將單軸壓力設(shè)計引入商用設(shè)備；接著是漫長的工藝摸索，為了追求足以消除爭議的絕對純度，團隊在溫壓參數(shù)的微調(diào)中耗費了大量精力；最后是嚴苛的審稿環(huán)節(jié)，從 2024 年 11 月投稿到 2026 年 3 月刊出，中間光是補證與修改就經(jīng)歷了一年半。“這是一個需要極大耐心和毅力的過程。”他感慨道。

從“更硬的刀”到“更好的芯”

測試表明，六方金剛石比傳統(tǒng)鉆石更堅硬，更耐氧化。但令人驚訝的是，它的硬度僅比普通鉆石略高，而非早期理論預測的 近 60%。

“在真實的實驗世界里，情況要復雜得多。沒有一塊實際合成的晶體是絕對完美的。在我們合成的塊體材料中，不可避免地會存在一些微觀層面的晶界、位錯、點缺陷或者微小的內(nèi)應力。這些因素都會在一定程度上影響材料宏觀力學性能的表現(xiàn)。”楊西貴說道。

隨著合成技術(shù)的精進，未來若能制備出更接近“理想單晶”的樣品，其硬度有望進一步逼近理論極限。甚至，理論模型本身也在隨認知而演進。“這是一個開放性的課題，”他表示，“當材料的純度與尺寸不斷突破，六方金剛石真正的物理上限才會被最終揭開。”

談及下一步計劃，楊西貴將其概括為“做大”與“做單”兩方面，這不僅是尺寸的突破，更是應用維度的跨越。

首先是近期（5 年內(nèi)）的“做大”計劃，旨在將樣品由毫米級推向厘米級，利用其超越普通鉆石的硬度與熱穩(wěn)定性，將其應用于切削刀具、磨具等工業(yè)領(lǐng)域。并在真實的工業(yè)應用場景下，去和現(xiàn)有的立方金剛石工具進行嚴格的對比測試，看看其壽命優(yōu)勢到底有多大。

其次是中長期（10 年內(nèi)）的“做單”愿景，通過攻克大尺寸單晶生長技術(shù)，合成出六方金剛石透明單晶，從而解鎖其在半導體領(lǐng)域和珠寶領(lǐng)域的潛力。屆時，它不僅能憑借優(yōu)異的熱導率成為 AI 算力芯片的理想散熱底座，還有望在量子傳感與大功率電子器件領(lǐng)域，憑借獨特的電子學特性占據(jù)一席之地。

“這需要科學界與產(chǎn)業(yè)界的通力合作，”楊西貴展望道，“也許十年后，當你走進珠寶店或選購高功率電子器件時，六方金剛石將成為一個性能更優(yōu)的常規(guī)選項。”

1.Lai, S., Yang, X., Shi, J. et al. Bulk hexagonal diamond. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10212-4

2.Yang, L., Lau, K.C., Zeng, Z. et al. Synthesis of bulk hexagonal diamond. Nature 644, 370–375 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09343-x

3.Chen, D., Chen, G., Lv, L. et al. General approach for synthesizing hexagonal diamond by heating post-graphite phases. Nat. Mater. 24, 513–518 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02126-9

4.https://www.nature.com/articles/d41586-026-00711-9

運營/排版：何晨龍